JPS61187528A - 過給機付内燃機関のバルブタイミング制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は過給機付内燃機関において過給機の作動条件
に応じてバルブタイミングを制御する装置に関する。

〔従来の技術〕

過給機は内燃機関の全負荷運転域での出力向上のため採
用される。ところが、燃焼室の圧力及び温度が高くなり
ノッキングが発生し易くなる。そこで、圧縮比の設定は
過給機を備えない通常の内燃機関より小さく押さえられ
、これによってノッキングの防止が図られている。とこ
ろが圧縮比を小さくすることにより、部分負荷運転域で
は燃焼室の圧力が不足となり、燃焼効率が悪化しまた燃
料消費率が低下することになる。従って、過給機付内燃
機関では全負荷時は圧縮比を低く、一方部分負荷時は圧
縮比を高くしたい要求がある。しかしながら、実際のエ
ンジンの構造上圧縮比を可変とするめは困難である。

そこで、実開昭５９−４９７４２号では吸気弁の作動タ
イミングの変化が圧縮比を変えるのと同等の効果をもつ
ことに着目している。即ち、吸気弁のバルブタイミング
を遅らせることにより、吸気弁の閉じるときの回転方向
における下死点からの角度がより大きくなる。その結果
、ピストンが有効に圧縮を開始する時期が遅延され、ピ
ストンの有効なストロークが小さくなり、圧縮比を下げ
るのと同様の効果を奏する。そこで、過給機の作動時す
る全負荷時には吸気弁のバルブタイミングを通常より遅
らせ、過給機が作動しない部分負荷時にはバルブタイミ
ングを通常の値に進ませるような制御をしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術では過給機が作動か否かによってバルブタイミ
ングを一定量遅らすか進めるかの制御を行っている。と
ころが、過給機の効率、換言すればノッキングの生じ易
さはその作動条件、たとえば機関の回転数や過給圧力等
の複数の作動条件因子によって変化する。したがって、
過給機の作動か否かでバルブタイミングの０Ｎ−ＯＦＦ
的な制御をするのみでは十分な過給効率を得つつノッキ
ングを完全に抑制することはできない。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の構成を図示する第１図において、内燃機関ｌ
はその吸気管２に過給機３を配置している。バルブタイ
ミング制御装置は内燃機関１の吸気弁１′のバルブタイ
ミングを制御する可変バルブタイミング機構４と、過給
機３の異なった作動条件を検知する複数の検知手段５及
び５′と、これらの検知手段５及び５′からの信号によ
って吸気弁のバルブタイミングの遅れ量を演算する手段
６と、この演算されたバルブタイミングの遅れが得られ
るように可変バルブタイミング機構４を駆動する駆動手
段７とより成る。

〔作　用〕

過給機作動条件検知手段５及び５′はエンジン回転数Ｎ
ｅ、過給圧力Ｐ、又は吸入空気温度Ｔといった過給機の
複数の作動条件因子番検知する。

バルブタイミング遅角演算手段６は検知された複数の過
給条件に応じてバルブタイミングの必要な遅れ量を演算
する。駆動手段７はこの演算された遅れ量が得られるよ
うに可変バルブタイミング機構４を駆動することになる
。

〔実施例〕

この発明の実施例を示す第２図において、１０はエアー
クリーナ、１２はスロットル弁、１４はルーツポンプ等
の過給機、１６はサージタンク、１８は吸気ポート、２
０は吸気弁、２２はシリンダブロック、２３はシリンダ
ヘッド、２４はピストン、２６はコネクティングロッド
、２８はクランク軸、３０は燃焼室、３２は点火栓、３
４は排気弁、３６は排気ポートである。これらは内燃機
関としては周知の構成要素ばかりであり、その詳細な連
結関係の説明は省略する。この内燃機関は所謂ＤＯＨＣ
型の内燃機関であり、吸気弁２０の駆動用の吸気カム軸
３８と、排気弁３４の駆動用の排気カム軸４０とを備え
ている。これらのカム軸３８及び４０の軸端にプーリ４
１及び４２が取付られ、タイミングベルト４３によって
クランク軸２８上のタイミングプーリに巻掛られている
。

これらのカム軸３８及び４０の回転中に吸気弁２０及び
排気弁３４は夫々のタイミングでバルブスプリング４４
に抗し開弁することは周知の通りである。４６はディス
トリビエータであり、所定のタイミングで点火栓３２に
駆動信号を分配する。

過給機としてのルーツポンプ１４は周知の通り一対の相
互に反対方向に回転駆動されるロータ（図示せず）を有
し、その一方のロータの回転軸１４ａ上にプーリ４８が
固定され、このプーリ４８は実施例ではクラッチ（図示
せず）を内蔵しており、過給条件に応じて係合又は開放
されるようになっている。プーリ４８はベルト５０を介
してクランク軸２８上のプーリ５２に連結され、クラッ
チの保合時にクランク軸２８の回転がルーツポンプ１４
に伝達され過給作動が行われる。尚、クラッチは任意要
素であり、必ずしも設けてなくても良い。この場合はル
ーツポンプは常時駆動されることになる。またルーツポ
ンプ式の過給機に限定されずターボ式の過給機にもこの
発明は応用することができる。

ルーツポンプ１４を迂回するバイパス通路５４が一端で
ルーツポンプ１４とサージタンク１６との間に接続され
、バイパス通路５４の他端はスロットル弁１２とルーツ
ポンプ１４と間に接続される。バイパス通路５４上にバ
イパス制御弁５６が配置される。この制御弁５６は過給
機の作動域においては閉鎖され、非過給域に開放される
ように作動される。

吸気弁２０の駆動用の吸気カム軸３８にはカム軸をクラ
ンク軸２８に対して相対的に捻ることによりバルブタイ
ミングを制御するタイプの可変バルブタイミング機構５
８が連結される。この可変バルブタイミング機構は第３
図から第５図に示すものである。吸気カム軸３８の一端
にインナスリーブ５９がボルト６０によって固定され、
このインナスリーブ５９上にアウタスリーブ６２がロー
ラ軸受６３によって回転自在となっている。アウタスリ
ーブ６２は吸気カム軸３８の駆動用の前記プーリ４１と
一体に形成されている。インナスリーブ５９とアウタス
リーブ６２は軸方向に交互に延びる円周方向の巾が約９
０°の突起５９ａ及び６２ａを備えている。各々の近接
する突起５９ａと６２３との間にローラ６３及び６４が
同軸に配置され、夫々は突起５９ａ及び６２ａは対抗す
る縁部５９ｂ及び６２ｂに接触している。ローラ６３と
６４との対はこの実施例では４組設置され、スライダ６
５上に設けられる。スライダ６５はローラ軸受６５′を
介して内ねじを形成したナツト６６上で回転自在となっ
ている。６７はステップモータであり、その出力軸６７
ａは外面にねじを形成しており、ナツト６６の内ねじと
係合している。モータ６７はそのハウジングに案内部６
７ｂを有し、この案内部６７ｂはナツト６６に形成され
る軸方向案内ａ６６ａ内に位置する。このような構造よ
りステップモータ６７の出力軸６７ａの回転運動はナツ
ト６６の直線運動に変換される。

インナスリーブ５９とアウタスリーブ　６２の突起部５
９ａ及び６２ａの対抗縁５９ｂと６２ｂとは、第５図の
ように一方（５９ｂ）は軸方向と平行であるが他方（６
２ｂ）は傾斜している。その結果ローラ６３及び６４が
軸方向に第５図矢印のようにステップモータ６７の回転
によって動く際にインナスリーブ５９とアウタスリーブ
６２とは相対的に回転する。従って、インナスリーブ５
９に連結される吸気カム軸３８はアウタスリーブ６２に
連結されるプーリ４１、換言すればクランク軸５２に対
して相対的に回され、吸気弁２０のバルブタイミングが
変化される。第６図　（イ）はステップモータ６７の回
転輪６７ａが基準位置にあるときのバルブタイミング線
図を示しており、吸気弁２０は上死点ＴＤＣ手前のαの
角度で開き始め（１，０）、下死点ＢＤＣ後βの角度で
閉じ終わる（１．Ｃ）。一方第６図（ロ）はステップモ
ータ６７の回転軸６７ａを基準位置から回したときのバ
ルブタイミング線図であり、　ＴＤＣ手前のα′（＜α
）で吸気弁２０は開き始め、ＢＤＣ後β′（〉β）で閉
じ終わる。尚、排気弁３４ではこの実施例ではバルブタ
イミングは（イ）と（ロ）で共通であり、ＢＤＣの手前
の角度で開き始めＴＤＣ後の角度で菌し終わる。

尚、可変バルブタイミング装置は図示の構造に限定され
ず、連続的に変化するバルブタイミングを取りえるもの
であればどのようなものでもよい。

第２図において７０は各運転条件センサからの信号によ
ってこの発明のバルブタイミング制御を行う制御回路で
ある。それらのセンサとしてまずエアーフローメータ７
２は例えばポテンショメータ型であり、スロットル弁１
２の上流に設けられ、吸入空気量Ｑに応じた信号を生ず
る。サージタンク１６には例えば半導体型の圧力センサ
７４が設置され、過給圧Ｐに応じた信号を得る。更に、
ディストリビュータ４６にはその分配軸４６ａ上の永久
磁石片４６ｂと対面するホール素子としての回転角セン
サ７８が設けられ、機関の回転数Ｎｅに応じた信号を生
じている。また、シリンダブロックの冷却水ジャケット
に温度センサ８０が配置され、冷却水の温度Ｔに応じた
信号が得られる。

制御回路７０はこの実施例ではマイクロコンピュータと
して構成され、マイクロプロセシングユニット（ＭＰＵ
）８２と、メモリ８４と、入力ボ−ト８６と、出力ポー
ト８８と、これらのユニットを接続し命令及びデータの
遺り取りをするバス９０とより成る。入力ポードア６に
は前記の各センサ、即ち、エアーフローメータ７２、圧
力センサ７４、回転数センサ７８及び冷却水温度センサ
８０が接続される。入力ポート８６は各センサのうちア
ナログ信号を発生するセンサ即ちエアーフローメータ７
２、圧力センサ７４、温度センサ８０からのアナログ信
号をディジタル信号に変換する変換器、並びにクランク
角毎のパルス信号を発生するセンサ７８より機関の回転
数Ｎｅを計算する回路を備えている。−力出力ボート８
８はルーツポンプ１４のプーリ１４ａのクラッチ部の作
動ソレノイド（図示せず）、バイパイ制御弁５６及び可
変パルプタイミング機構５８のステップモータ６７に接
続される。

メモリ８４の不揮発部分、例えばリードオンリメモリ　
（ＲＯＭ）にはこの発明によるバルブタイミング制御を
実行するためのプログラムが格納される。その他この発
明とは直接関係しないがエンジンの種々の制御（例えば
燃料噴射制御、点火制御等）を行うためのプログラムが
格納されている。

以下この発明のプログラムを説明するが、それに先立っ
て制御の概要を説明する。過給機付の内燃機関では始め
に述べたように過給機無しの内燃機関と比較してピスト
ン２４の圧縮比は小さく設定される。ところが、そのま
までは過給機１４の働かない高負荷以外の運転時の燃焼
効率が悪化する問題があった。そこで実開昭５９−４９
７４２号のように、バルブタイミングを基本的には進み
側に設定しておきこれによって非過給時に圧縮比を高め
ると同等の効果を得るようにし、一方過給時にはバルブ
タイミングを遅らせ圧縮比を下げると同等の働きをさせ
ている。即ち、第６図でピストンの有効な圧縮は吸気弁
が閉じる時点■、Ｃから開始し、　Ｎ、、１ｔが有効な
圧縮を行うビ’ｘトンのストロークとなる。ｌｌ　＞Ｉ
ｔ２であることから、吸気弁２０が速く閉じる（イ）の
設定によって圧縮比を高くしたのと同等の効果を得るこ
とができる。即ち、非過給時にはバルブタイミングを（
イ）の設定とすれば高負荷時以外の燃焼効率を改善する
ことができ、過給時には（ロ）の設定とすることでノッ
キングを防止しつつ有効な過給をすることができる。と
ころがノッキングを生じない限りにおいてエンジンの効
率を高くすることができる最適の吸気弁２０の閉じ時期
は機関の複数の過給条件因子によって変化する。第９図
は過給圧に対する吸気弁の閉じ時期の最逼値の関係を示
す。図のように過給圧が高い程閉じ時期は遅れる。

第１０図にはエンジンの回転数に対する吸気弁の閉じ時
期の関係が示され、回転数を高い程閉じ時期は遅れるの
が好ましい。また第１１図は水温との同様な関係を示す
。ところが従来はバルブタイミングの制御にこのような
因子を考慮しておらず、過給機の作動か否かでバルブタ
イミングを一律に遅れ又は進みを制御していた。したが
って各運転条件でノッキングを生じないようにする要請
からバルブタイミングの遅れ量はそれほど大きく取り得
す、各運転条件で最適なバルブタイミングの制御ができ
ず、燃料消費率が悪化する問題があった。

この発明はかかる欠点に鑑みてなされたものであり、複
数の過給因子に応じてバルブタイミングの制御をするこ
とにより各回転数にわたってノンキングに対して余裕を
もちつつ効率的なエンジンの作動を得ようとするもので
ある。

以下、第７図及び第８図のフローチャートによって説明
する。第７図は過給機の制御ルーチンを示す。このルー
チンは、所定時間、例えば２５ｍ秒毎に実行される時間
割り込みルーチンとして構成される。１００はその開始
を示す。１０２では機関が高負荷運転か否か判定される
。この判定は例えばエアーフローメータ７２によって検
知される吸入空気量の、回転数センサ７８によって検知
されるエンジン回転数に対する比Ｑ／Ｎｅが所定値より
大きいか否かみることによって知ることができる。高負
荷時であれば１０２のステップでＹｅｓと判定され１０
４に進む。１０４のステップではＭＰＵ８２は出力ポー
ト８８よりルーツポンプ１４の駆動ブーＵ　４８のクラ
ッチ部に信号が印加され、同クラッチ部は係合される。

１０６ではバイパス制御弁５６に信号が送られ、同バイ
パス制御弁５６は閉鎖される。従って、エンジンのクラ
ッチ２８の回転はプーリ４２、ベルト５０、プーリ４８
を介してルーツポンプ１４に伝達され、バイパス制御弁
５６が閉鎖していることからルーツポンプ１４からの吸
入空気は全量が圧縮状態でサージタンク１６を経て燃焼
室３０に送られ過給が行われる。１０８では過給作動中
を表示するフラグＦがセットされる。

１０２のステップで高負荷運転でないと判定されたとき
は１１０に進み、ＭＰＵ８２は出力ボート８８よりクラ
ッチを開放すべき命令が出力される。そのため、クラン
ク軸２８はルーツポンプ１４から切り離され、過給は行
われない。１１２ではバイパス制御弁５６の開放命令が
出力され、その結果ルーツポンプ１４を迂回するバイバ
イ通路５４が開放され吸入空気の一部はバイパス通路５
４を通過することになる。１１４ではフラグＦがリセツ
トされる。

第８図はバルブタイミング制御ルーチンのフローチャー
トを示す。このルーチンはステップモータが６７の出力
軸６７ａが１ステップ回転を実行するのに要するより長
いが所定の制御精度は得ることができる所定時間毎に実
行される時間割り込みルーチンである。２００はその開
始を示す。

２０２では過給作動表示フラグＦが１か否か判定される
。過給中でなければＦ＝０であり、Ｎｏに分岐し、２０
４に進み吸気弁２０のバルブタイミングの目標値即ちス
テップモータ６７の出力軸６７ａ目標位置５ＴＥＰが初
期値に設定される。

ここにその初期値は第６図（イ）に示す最も進み側のバ
ルブタイミングをとるときのステップモータ６７の出力
時＃Ｊ４６７ａの位置に相当する。

過給作動中には２０２のステップでＦは１であり、Ｙｅ
ｓと判定され、２０６に進み吸気弁２０のバルブタイミ
ングを決める可変バルブタイミング機構５８のステップ
モータ６７の出力軸６７ａの目標位置５ＴＥＰが複数の
過給条件因子に応じて演算される。この実施例では回転
数Ｎｅと過給圧力Ｐより５ＴＥＰの演算を行っている。

即ち、メモリには回転数と過給圧の組合わせに対する５
ＴＥＰの二次元マツプがある。ＭＰＵ８２は回転数セン
サ７８によって実測されるエンジン回転数Ｎｅ及び圧力
センサ７４によって検知される過給圧Ｐよりマツプを利
用してそのときのステップモータ軸位置の目標値５ＴＥ
Ｐの補間演算を破線のように実行する。

２０７のステップでは冷却水温に応じたバルブタイミン
グの補正係数にの演算が行なわれる。即ち、メモリ内に
は冷却水温度に対する補正係数の一次元マツブがあり、
ＭＰＵ８２は温度センサによって検知される冷却水の温
度に応じた補正係数Ｋ　（＞１．Ｏ）の演算を実行する
。

２０８のステップでは２０６で計算されるステップモー
タ出力軸目標値５ＴＥＰに２０７で計算される補正係数
Ｋを乗算したものを５ＴＥＰとする。つぎの２０９のス
テップではステップモータ６７の出力軸６７ａの位置の
目標値ＳＴＦ、Ｐとその現在位置ＲＥＡＬとが等しいか
否か判定される。

不一致の場合はＮｏと判定され、２１０に進み目標値５
ＴＥＰが現在値ＲＥＡＬより大きいか否か判定される。

目標値５ＴＥＰが現在値ＲＥＡＬより大きいときは、バ
ルブタイミングが遅れる方向に修正する必要があると認
識し、２１２に進み、出力ボート８８よりステップモー
タ６７ａに進み同モータを１ステツプ正転させる。（こ
こに正転とはバルブタイミングを第６図の（イ）から（
ロ）の方向に遅らせるステップモータの回転方向を意味
する。）２１３では１ステツプ正転を実行したことから
ステップモータの現在値ＲＥＡＬを１だけインクリメン
トする。

目標値５ＴＥＰが現在値ＲＥＡＬより小さいときは２１
０でＮｏと判定され２１４に進みステップモータを１ス
テツプ逆転する命令が出力される。

ここに逆転とはバルブタイミングを第６図の（ロ）から
（イ）に進める方向の回転を意味する。２１６では１ス
テツプ逆転を実行したことからステ・ノブモータの現在
値ＲＥＡＬを１だけデクリメントする。

以上のようなフィードバック制御によってステツブモー
タの軸位置を第９．１０．１１図の要求にしたがって制
御することができる。

〔発明の効果〕

この発明によれば、過給機付の内燃機関においてバルブ
タイミングの遅れ量を複数の過給条件因子に応じて制御
している。そのため、各過給条件にわたってノンキング
限界に対して余裕をもった、できるだけ進み側のバルブ
タイミングとすることができる。その結果、ノッキング
を生ずることなしに燃料消費率を向上することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成図。 第２図は実施例を示す図。 第３図は可変バルブタイミング機構のカム軸方向断面図
。 第４図は第３図のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図。 第５図は第４図のＶ方向矢視図。 第６図はバルブタイミング線図。 第７図及び第８図はフローチャート図。 第９図は最適な吸気弁の閉じ時期を過給圧に対して示す
模式的線図。 第１０図はエンジン回転数に対する第１０図と同様な線
図。 第１１図は冷却水温に対する第１０図と同様な線図。 １４・・・過給機、２０・・・吸気弁、３８・・・吸気
カム軸、４１・・・タイミングプーリ、５８・・・可変
バルブタイミング機構、７０・・・制御回路、７２・・
・エアーフローメータ、７４・・・圧力センサ、７８・
・・回転数センサ、８０・・・水温センサ。 第１図 １′−−一吸気弁 ２−ｍ−吸気管 ３−ｍ−過給機 ４＝−一可変バルブタイミング機構 第３図 ３８−ｍ＝カム軸 ４１−ｍ−タイミングプーリ ５９−ｍ−インナスリーブ ６２−ｍ−アウタスリーブ ６３．６４−一一ローラ 第４図 ■ 第５図 第６図 （イ）　　　　　　　　　　　　　（ロ）ＤＣ 第７図 （Ｐ） （Ｔ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　過給機を備えた内燃機関において、吸気弁のバルブタ
   イミングを制御する可変バルブタイミング機構と、過給
   機の異なった作動条件を検知する複数の手段と、これら
   の複数の検知手段からの信号によって吸気弁のバルブタ
   イミングの遅れ量を演算する手段と、この演算されたバ
   ルブタイミングの遅れが得られるように可変バルブタイ
   ミング機構を駆動する駆動手段とより成る過給機付内燃
   機関のバルブタイミング制御装置。